Μέθοδοι βελτίωσης και ενίσχυσης εδαφών

Μέθοδοι βελτίωσης και ενίσχυσης εδαφών Ευάγγελος Ι. Σταυριδάκης Τοµέας Γεωτεχνικής Μηχανικής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Περίληψη Ιστορικά στοιχεία: Η ιδέα της βελτίωσης και ενίσχυσης του εδάφους, µε την ανάµιξη υλικών ( τσιµέντου, ασβέστου, πολυµερών υλικών κλπ.) ή την επιβολή ξένων προς το έδαφος στοιχείων (πασσάλων, διαφραγµάτων, γεωυφασµάτων, ηλώσεων κλπ.) άρχισε να εφαρµόζεται από αρχαιοτάτων χρόνων, από την περίοδο των Αιγυπτίων, Σουµερίων, Ασσυρίων, Ελλήνων, Κινέζων, Αράβων και Ρωµαίων. Η χρήση της υδρασβέστου στη βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών του εδάφους ήταν γνωστή στους Κινέζους, πριν 3000 έτη, για βελτίωση των δρόµων (Israel, 1982). Την ίδια χρονική περίοδο επίσης οι Κινέζοι χρησιµοποιούσαν ξύλο η bamboo για την ενίσχυση του εδάφους, µεθόδους που χρησιµοποιούν ακόµη και σήµερα για την δηµιουργία φραγµάτων για προστασία του περιβάλλοντος από λασποροές. Οι αρχαίοι Ρωµαίοι χρησιµοποιούσαν ηφαιστειακή τέφρα, (ποζολάνες ο όρος Pozzolan προέρχεται από το χωριό Pozzuoli της Ιταλίας), για διάφορες κατασκευές όπως η Απία Οδός, το Κολοσσαίο, το Πάνθεον, (Israel, 1982). Στη Μεσοποταµία οι κάτοικοι χρησιµοποιούσαν άσφαλτο αναµεµιγµένη µε αµµώδες έδαφος για κατασκευές δρόµων, από το 3200 πχ., (Asphalt Institute, 1965). Η πρώτη σύγχρονη κατασκευή µε ασφαλτικό υλικό επικάλυψης ση- µειώθηκε το 1802 στη Γαλλία. Το τσιµέντο Portland ανακαλύφθηκε το 1824 από τον Άγγλο Joseph Aspdin. Η ονοµασία του συνδέθηκε µε το χρώµα του που ήταν όµοιο µε αυτό του ασβεστολίθου της νήσου Portland κοντά στην Αγγλία. Το 1904 στη περιοχή St Louis (USA) έγινε η πρώτη εφαρµογή σταθεροποίησης εδάφους µε τσιµέντο τύπου Portland. Από το 1940 και µετά οι Γερµανοί αργότερα οι Βρετανοί και οι Αµερικανοί κατασκεύασαν τους αεροδιαδρόµους πολλών πολεµικών αεροδροµίων µε την τεχνική εδάφους - τσιµέντου. Την ίδια χρονική περίοδο η τεχνική της σταθεροποίησης εδάφους µε διάφορα πρόσθετα (τσιµέντο, άσβεστος, ιπτάµενη τέφρα, χηµικές ενώσεις κλπ) επεκτάθηκε στην Αυστραλία, Σκανδιναβία και Ιαπωνία (Σταυριδάκης, 1997). Άλλες τεχνικές σταθεροποίησης και ενίσχυσης µαλακών και συνεκτικών εδαφών είναι η βαθιά µίξης µε πρόσθετα (DSM, CDM, κλπ), για τη βελτίωση των µηχανικών ιδιοτήτων των εδαφών αυτών (Kamruzzaman et al, 2000). Η τεχνική αυτή χρησιµοποιήθηκε από την Ιαπωνία το 1970, Σκανδιναβία, (Σουηδία, Φιλανδία) για εφαρ- µογές σε κτιριακά συγκροτήµατα, θεµελιώσεις γεφυρών, κατασκευές αντιστήριξης, κλπ. Η βασική στρατηγική όλων αυτών των τεχνικών είναι να βρεθεί η πιο κατάλληλη, αποτελεσµατική και οικονο- µική µέθοδος που να βελτιώνει το έδαφος, ώστε οι µηχανικές του ιδιότητες να γίνουν παρόµοιες µε αυτές των µαλακών βράχων, αυξάνοντας την ασφάλεια των γεωτεχνικών έργων. Λέξεις κλειδιά: Βελτίωσης, Σταθεροποίησης, Έδαφος, 1 Εισαγωγή Με τον όρο βελτίωση η ενίσχυση ενός υλικού, φυσικού η θραυστού, εννοούµε την επεξεργασία του υλικού αυτού που αποβλέπει στη βελτίωση των γεωτεχνικών του ιδιοτήτων (αντοχή, διάβρωση, διαπερατότητα, συµπιεστότητα, πορώδες, φυσικά χαρακτηριστικά, µηχανικές ιδιότητες κλπ.). Ο Van Impe (1989) διαχωρίζει τις µεθόδους βελτίωσης στις παρακάτω γενικές οµάδες: α) Προσωρινές τεχνικές βελτίωσης εδάφους µε περιορισµένο χρόνο εφαρµογής, κατά την περίοδο της κατασκευής (ηλεκτρική όσµωση, ψύξη εδάφους κλπ.). β) Μόνιµες (διαρκείς) τεχνικές βελτίωσης εδάφους, που εφαρµόζονται χωρίς την επιβολή ξένων προς το έδαφος στοιχείων (δυναµική συµπύκνωση, µέθοδοι µαζικής δόνησης κλπ.). γ) Μόνιµες (διαρκείς) τεχνικές βελτίωσης εδάφους που εφαρµόζονται µε την επιβολή ξένων προς το έδαφος στοιχείων (οπλισµένο έδαφος, τσιµεντε- Ì Ì ÁÚÔÓfiÌˆÓ Î È ÔappleÔÁÚ ÊˆÓ ªË ÓÈÎÒÓ,..., 2003 applefi Ù ÛÙÚ ÛÙË ÁË Î È ÙÔÓ appleôïèùèûìfi ÊÈ ÚˆÌ ÛÙË ÌÓ ÌË ÙÔ ıëáëù Ï Í Ó ÚÔ ÛÈÔ ÌË ÛÂÏ. 61-67

νέσεις, γενικά ενέσεις µε διάφορα ενέµατα, βαθιές µίξεις µε διάφορα µίγµατα όπως τσιµέντου, ασβέστου, µπεντονίτη κλπ.) Οι τεχνικές βελτίωσης και ενίσχυσης του εδάφους εφαρµόζονται: Στα θεµέλια κτιρίων για την µείωση των καθιζήσεων, τον έλεγχο της διαπερατότητας ή την αύξηση της φέρουσας ικανότητας του εδάφους. Σε εργασίες εκσαφής για καλύτερη πλευρική αύξηση της αντοχής σε σήραγγες ή τάφρους και µείωση της διαπερατότητας. Στην οδοποιία, στις υποβάσεις δρόµων για αύξηση της φέρουσας ικανότητας του εδάφους, µείωση της διάβρωσης και µείωση του µεταβολών του όγκου. Σε σταθεροποίηση των πρανών για να αυξηθεί η αντοχή του εδάφους σε διάβρωση, να µειωθεί η διαπερατότητα, να µειωθεί ο δείκτης κενών. Σε κατασκευές συγκράτησης (αποθήκευσης) ύδατος για την δηµιουργία όσο το δυνατόν υδατοστεγανών κατασκευών, όπως φράγµατα, κανάλια, δεξαµενές, χωµατερές (Χ.Υ.Τ.Α.). Στην προστασία περιβάλλοντος, αυξάνοντας την αντίσταση του εδάφους στην φυσική αποσάθρωση από αέρα ή το νερό, περιορίζοντας την µόλυνση του εδάφους µε µείωση της µεταφορικής ικανότητας των µολυσµένων ουσιών δηµιουργώντας συσσωµατώµατα που µετατρέπονται σε πολυδυσκίνητες χηµικές µορφές. Πίνακας 1. Μέθοδοι βελτίωσης του εδάφους ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΜΕΘΟ ΟΣ 1. Στερεοποίηση - Προφόρτιση - Προφόρτιση - Ηλεκτρική όσµωση 2. Οπλισµός του εδάφους (χρησιµοποίηση στοιχείων που µπορούν να παραλάβουν δυνάµεις ελκυσµού ή θλίψης) - Λιθοπάσαλοι - Οπλισµένο έδαφος - Χρησιµοποίηση γεωϋφασµάτων - Ριζοπάσσαλοι (Root Piles) - Κάρφωµα εδάφους (Soil nailing) 3. Συµπύκνωση - υναµική συµπύκνωση - Πάσσαλοι συµπύκνωσης - Μέθοδοι µαζικής δόνησης - Εκρήξεις 4. Σταθεροποίηση µε ανάµιξη του εδάφους µε άσβεστο ή τσιµέντο (Χηµική σταθεροποίηση) - Ασβεστοπάσσαλοι - Πάσσαλοι ή διαφράγµατα µε ανάµιξη εδάφους και τσιµέντου - Υποβάσεις δρόµων - Επικαλύψεις πρανών 5. Ενέσεις - Ενέσεις διαποτισµού - Ενέσεις εκτόπισης ή συµπύκνωσης 6. Θερµική δράση - Θέρµανση του εδάφους - Ψύξη του εδάφους 62

2 Μέθοδοι βελτίωσης του εδάφους Οι µέθοδοι βελτίωσης παρουσιάζονται συνοπτικά στον πίνακα 1 (Τσότσος, 1987) χωρισµένες στις εξής κατηγορίες: 1) µέθοδοι στερεοποίησης 2) µέθοδοι όπλισης του εδάφους 3) µέθοδοι συµπύκνωσης 4) µέθοδοι σταθεροποίησης (βελτίωσης) του εδάφους µε ανάµιξη: 4α) µε άσβεστο 4β) µε τσιµέντο 4γ) µε χηµικά πρόσθετα 5) µέθοδοι µε εκτέλεση ενέσεων 6) θερµική δράσης Περιληπτική περιγραφή των µεθόδων βελτίωσης του εδάφους κατά τους Attewell και Farmer (1976), Τσότσο (1987), Van Impe (1989), γίνεται παρακάτω: 1) Στερεοποίηση. 1a) Προφόρτιση. Η µέθοδος της προφόρτισης συνιστάται στη συσσώρευση εδαφικού υλικού και την τοποθέτησή του µε µορφή σωρών πάνω στην προς βελτίωση έκταση. Άλλοι τρόποι προφόρτισης είναι: i) η τοποθέτηση προκατασκευασµένων στοιχείων συνήθως σε µικρού πλάτους γραµµικά έργα, ii) η κατάλληλη άντληση και ο υποβιβασµός της στάθµης του υπογείου νερού, iii) η πλήρωση δεξαµενών ή άλλων υδατοστεγανών χώρων µε νερό, iv) η επιφανειακή διαβροχή στεγνών χαλαρών α- ποθέσεων, 1β) Προφόρτιση µε την χρησιµοποίηση αµµοστραγγιστηρίων. Η προφόρτιση µπορεί να ενισχυθεί και να βελτιωθεί µε την κατασκευή κατακόρυφων αµµοστραγγιστηρίων που επιτρέπουν συµπληρωµατική αποστράγγιση. 1γ) Ηλεκτρο-όσµωση. Η µέθοδος συνίσταται στην δηµιουργία ηλεκτρικού δυναµικού που προκαλεί τη ροή υπογείου νερού προς την κάθοδο. Οι κάθοδοι συνήθως αποτελούνται από διάτρητους σιδερένιους σωλήνες που αποµακρύνουν το νερό. 2) Οπλισµός εδάφους. 2α) Λιθοπάσσαλοι ή χαλικοπάσσαλοι. Η µέθοδος συνίσταται στη διάνοιξη κυκλικών οπών στο προβληµατικό έδαφος µε µήκος σηµαντικό και την πλήρωσή τους µε χάλικες ή µε θραυστό υλικό λατοµείου. Σ αυτήν την περίπτωση κρίσιµη είναι η αντοχή του ιδίου του υλικού του πασσάλου και όχι η µεταφορά του φορτίου από τους πασσάλους στο εδάφος. 2β) Οπλισµένο έδαφος. Το έδαφος µπορεί να βελτιωθεί µε την εισαγωγή τοπικά στοιχείων οπλισµού. Αυτό µπορεί να γίνει µε την εισαγωγή µεταλλικών λωρίδων µέσα στο εδάφος (οπλισµένο έδαφος), µε τα γεωϋφάσµατα, την εισαγωγή ατσάλινων ράβδων ή µε ηλώσεις (soil nailing) ή µε την εισαγωγή ριζοπασσάλων. 3) Συµπύκνωση. 3α) υναµική συµπύκνωση. Συνίσταται στην επιβολή πτώσης µεγάλων βαρών έως 10 τόννων από ύψος 10m έως 40m (Van Impe, 1989), όπως ακριβώς συµβαίνει στη δοκιµή συµπύκνωσης των εδαφών κατά Proctor. Χρησιµοποιήθηκε µε επιτυχία σε χαλαρά αµµώδη εδάφη. 3β) Μέθοδοι µαζικής δόνησης. Συνίσταται στην εισαγωγή δονητή σε χαλαρά, µη συνεκτικά εδάφη όπου προκαλεί ακτινωτή συµπύκνωση. 3γ) Σε δίκτυο γεωτρήσεων τοποθετείται εκρηκτική ύλη που κατά την έκρηξη δηµιουργεί διαµήκη και διάτµησης κύµατα, που έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση της πυκνότητας του εδάφους, κάτω από το βάρος των υπερκείµενων στρωµάτων. 4) Σταθεροποίηση του εδάφους µε τη χρήση τσιµέντου, ασβέστου ή άλλων χηµικών προσθέτων. 4α) Ασβεστοπάσσαλοι. Με ειδικό αυτοκινούµενο µηχάνηµα διανοίγεται οπή σε αργιλλοϊλυώδη εδάφη στη συνέχεια το στέλεχος ανασύρεται, ενώ διοχετεύεται στο έδαφος σκόνη άνυδρου ασβέστη (CaO). Ταυτόχρονα το όλο σύστηµα έδαφος άσβεστος αναµειγνύεται και σχηµατίζεται µία κατακόρυφη στήλη. 4β) Πάσσαλοι ή διαφράγµατα µε ανάµιξη εδάφους και τσιµέντου. Ο τρόπος κατασκευής των πασσάλων και διαφραγµάτων µε ανάµιξη εδάφους και τσιµέντου είναι ο ίδιος µε τον τρόπο κατασκευής των ασβεστοπασσάλων. 5) Ενέσεις. Η ένεση είναι η διοχέτευση στα εδάφη, µε πίεση, ειδικών ρευστών που σύντοµα πήζουν και βελτιώνουν ενισχύουν τη συµπεριφορά των. Ανάλογα µε την ιδιότητα που βασικά επηρεάζεται διακρίνουµε δύο κατηγορίες ενέσεων: τις ενέσεις στεγανοποίησης που προκαλούν κυρίως µείωση διαπερατότητας και χρησιµοποιούνται στην αντιµετώπιση υπογείων ροών και τις ενέσεις σταθεροποίη- 63

σης που έχουν ως στόχο την αύξηση της αντοχής και τη µείωση της συµπιεστότητας. Ανάλογα µε τον τρόπο που ενεργεί το ένεµα διακρίνουµε τις εξής κατηγορίες: 5α) Ενέσεις διαποτισµού. 5β) Ενέσεις εκτοπίσεως ή συµπύκνωσης. 5γ) Ενέσεις εγκλωβισµού. 5δ) Ενέσεις πλήρωσης κενών. Οι συνήθεις τύποι ενεµάτων είναι τα αιωρήµατα τσιµέντου (τσιµεντενέσεις) ή µίγµατος εδάφους (πχ. µπεντονίτη, άµµου) και τσιµέντου ή και µόνο εδαφών σε νερό και τα χηµικά διαλύµατα συνήθως πυριτικών ή πολυµερών υλικών. Η χρήση οργανικών σταθεροποιητών ή προσθέτων (ρυθµιστές χρόνου πήξης α) επιταχυντές β) επιβραδυντές) ή ακόµα και αργιλλικών εδαφών µπεντονίτη είναι αναγκαία σε περιπτώσεις που επιδιώκεται ρύθµιση των ιδιοτήτων των µιγµάτων εδάφους τσιµέντου, (επιτάχυνση του χρόνου πήξης ή σκλήρυνσης του τσιµέντου, αύξηση των αρχικών αντοχών, µείωση διαπερατότητας), όπως πχ. στην περίπτωση των τσιµεντενέσεων, (δηµιουργία σταθερών διαλυµάτων µε τη χρήση αργιλλικών εδαφών µπεντονίτη κλπ.). 6) Θερµική δράση. 6α) Θέρµανση του εδάφους. Η µέθοδος αυτή είναι η λιγότερο οικονοµική από τις προηγούµενες και εφαρµόζεται σε χαλαρά εδάφη µε µεγάλη διαπερατότητα και συνίσταται στη δηµιουργία οπών µε καρφίδες και την εισβολή πολύ θερµού µίγµατος αέρος και καυσίµου µέσα στο έδαφος. Η πίεση είναι 1,5 µεγαλύτερη της ατµοσφαιρικής. Η θερµοκρασία κυµαίνεται από 300 ο C έως 1000 ο C µε αποτέλεσµα τη συµπύκνωση λόγω απώλειας του νερού και την αύξηση των ενεργών τάσεων. Σε θερµοκρασίες 550 ο C η ικανότητα διόγκωσης της αργίλλου καταστρέφεται σε 1000 ο C οι κόκκοι άµµου τήκονται και δηµιουργούν τεχνητή τσιµεντοποίηση. Πίνακας 2: Περιοχές αποτελεσµατικότητας των µεθόδων βελτίωσης 64

Σχήµα 1 Σχηµατική παράσταση µεθόδων βελτίωσης και ενίσχυσης εδαφών (Mitchel 1981 και Van Impe 1989). 65

Πίνακας 3. Σταθεροποίηση εδαφών µε τσιµέντο, άσβεστο, άσφαλτο ή µε απλή συµπύκνωση (Κόλιας, 1979) Είδος σταθεροποίησης Μηχανική σταθεροπίηση Σταθεροποίηση µε άσβεστο Σταθεροποίηση µε άσφαλτο Σταθεροποίηση µε τσιµέντο Επηρεαζόµενες εδαφικές ιδιότητες 1. Κοκκοµετρική διαβάθµιση 2. Πλαστικότητα 3. Περιεχόµενη υγρασία 1. Περιεχόµενη υγρασία 2. Όρια Atterberg 3. οµή του εδάφους Αποτελέσµατα της σταθεροποίησης Βελτίωση της ικανότητας για συµπύκνωση και άλλων ιδιοτήτων του µίγ- µατος, που εξαρτώνται από τις αρχικές ιδιότητες των υλικών. υνατότητα συµπύκνωσης µε αυξη- µένη υγρασία. Μόνιµη ελάττωση της ευπάθειας στις επιδράσεις του νερού και του παγετού. Αύξηση αντοχής. Αντοχή ηµιουργία στρώσης εύκαµπτης, µε αυξηµένη φέρουσα ικανότητα ανθεκτική στις επιδράσεις του νερού και του παγετού. 1. Αντοχή 2. οµή του εδάφους ηµιουργία στρώσης µε αυξηµένη φέρουσα ικανότητα, ανθεκτική στις επιδράσεις του νερού και του παγετού. Θέση σταθεροποιηµένης στρώσης στο οδόστρωµα Βάση-Υπόβαση (Ανεπαρκής για βάση δρό- µων βαρείας κυκλοφορίας) Υπέδαφος-Υπόβαση Σπανιότερα για βάση δρό- µων ελαφράς κυκλοφορίας. Κυρίως για βάση Σπανιότερα για υπόβαση Βάση, υπόβαση, υπέδαφος. Αυτοδύναµα οδοστρώµατα ελαφράς κυκλοφορίας που φέρουν λεπτή ασφαλτική επίστρωση. 6β) Ψύξη του εδάφους. Η µέθοδος ψύξης έχει ως αποτέλεσµα τη δη- µιουργία φραγµών από παγωµένο νερό έξω από την επιφάνεια των κατασκευών. Παραδείγµατα των µεθόδων βελτίωσης και ενίσχυσης παρουσιάζονται στο σχήµα 1. Στον πίνακα 2 (Bell, 1975, Mitchell, 1981, Van Impe, 1989) δίνονται τα όρια της κοκκοµετρικής σύνθεσης των εδαφών στα οποία εφαρµόζεται αποτελεσµατικά κάθε µία από τις µεθόδους βελτίωσης που αναφέρθηκαν. Ειδικότερα όσον αφορά τις µεθόδους βελτίωσης που περιλαµβάνονται στην κατηγορία της σταθεροποίησης του εδάφους (πίνακας 3) διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις: α) Σταθεροποίηση µε συµπύκνωση. β) Μηχανική σταθεροποίηση µε ανάµιξη δύο ή περισσοτέρων υλικών. γ) Χηµικές ή φυσικοχηµικές σταθεροποιήσεις µε πρόσθετα υλικά που ονοµάζονται σταθεροποιητές. Από τις παραπάνω µεθόδους βελτίωσης και ενίσχυσης των εδαφών η σταθεροποίηση µε τσιµέντο έχει ευρύ φάσµα εφαρµογής στα εδάφη, επίσης είναι οικονοµική µέθοδος. Κατά τον Mitchell (1981) η σταθεροποίηση του εδάφους µε τσιµέντο σε σύγκριση µε τις άλλες µεθόδους βελτίωσης έχει µέσο σχετικό κόστος (Πιν. XII σελίδα 555). 3 Συµπεράσµατα Συµπερασµατικά η διαδικασία και η µέθοδος εφαρ- µογής της βελτίωσης και ενίσχυσης των εδαφών εξαρτάται άµεσα από την ποιότητα του εδάφους (αµµώδες, συνεκτικό ή διογκούµενο έδαφος ), την ιδιότητα (φυσική ή µηχανική ) που πρέπει να βελτιωθεί, από το είδος και το µέγεθος του γεωτεχνικού έργου αλλά και από την αντίστοιχη κατασκευή. Κατ επέκταση ο συνδυασµός των παραπάνω δηλαδή η επιλογή της κατάλληλης µεθόδου είναι και συνάρτησης του κόστους του συνολικού έργου κατασκευής σε σχέση µε το κόστος της µεθόδου βελτίωσης και ενίσχυσης του εδάφους. Βιβλιογραφία Attewel, P. B. and I. W. Farmer (1976). Principles of Engineering Geology, John Wiley& Sons, Inc., New York. Asphalt Institute (1975). The Asphalt Handbook Manual Series N.4, pp371. Bell, F. G. (1975). Methods of Treatment of Unstable Ground, by A.A. Lilley. 66

Israel, R. W. (1982). Soil stabilization and Cold Mix Recycling. Published by Bomac Co., USA. Kamruzzaman M. H. A., H. S. Chew and H. F. Lee (2000). Engineering Behaviour of Cement Treated Singapore Marine Clay. Proc. of an Intern. Conf. On Geotechnical and Geological Eng., 19-24 Nov., Melbourne, Australia Mitchell, J. K. (1981). Soil improvement State of the Art Report. Proceedings of the Tenth International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stavridakis, I. E. (1997). A study of slaking related to the unconfined compressive strength of cement stabilized clayey soils. PhD. Thesis Dept. of Civ. Engin. Aristotle Univ. of Thessaloniki, Greece, (in Greek). Τσότσος, Στ. (1987). Θέµατα εδαφοµηχανικής και θεµελιώσεων, ΑΠΘ. Van, Impe F.W. (1989). Soil improvement Techniques and their Evolution, AA Bulkema / Rotterdam / Brookfield. 67